中科大材料物理学课件04材料强化

第4章材料强化

本章介绍了有关材料力学性能的实验方法，影响材料力学性能的因素以及强化材料力学性能的机制。首先，本章介绍了各种有关材料力学性能的实验方法，解释了引入这些实验方法的原因和目的。然后，详细介绍了一些主要的材料强化手段，对这些强化手段的特点进行了分析。本章提要第4章材料强化

4.1概述4.2力学实验与材料性能4.4固溶强化4.3加工硬化4.5弥散强化4.6固态相变强化2个学时2个学时2个学时4.1概述材料的强度是材料性能中最重要的一项人类最早利用的材料性质就是力学性质。对于结构材料来说，材料的强度更是决定该材料是否胜任实际要求的关键。4.1概述4.1概述决定材料强度的关键因素1.原子之间的结合力2.位错我们对原子之间的键合类型和结合力难以施加什么影响，难以去改变键合类型和结合力来强化材料。在这方面，一般常见的方法就是形成新的相（因为新相中的原子键合类型和结合力自然不同）。我们有很多方法来影响材料中的位错，通过影响位错的运动来达到强化材料的目的。所以可以说，近代金属物理领域中的最大成果就是关于材料中的位错的研究。强化的方式1.合金化和冷加工2.热处理构件处于高应力的塑性形变状态。固态下要发生相变有序强化4.1概述对于那些没有塑性变形的脆性材料，也无法利用冷加工的方法来进一步强化材料。这些强化方式的实现，是需要一定的条件的。不能说对于任何一种材料，都可以采用上述某种强化方法来增加其强度。如果在该材料的相图中没有共析相变反应，自然不可能采用共析分解强化。4.1概述4.2力学实验与材料性能选择材料的一个基本原则力学性能首先必须分析材料使用的环境，以便判断什么是材料应该具有的最重要的性能。研究材料的力学性能，可以了解这些缺陷的本质。表征材料力学性能的最常用的参数是拉伸试验所得到的屈服强度和断裂强度。弯曲试验常用来表示脆性材料的拉伸性能。硬度试验也可在一定程度上表示材料的拉伸强度。但是，即使材料工作的应力低于断裂强度或屈服强度，也并不意味着材料的使用就一定安全。如果材料所受的负载是动态而不是静态的，就要用冲击韧性来表示它的抗断裂性能。4.2力学实验与材料性能由于材料中总是免不了有裂纹产生，此时要用断裂韧性来表示这些裂纹在材料中的扩展行为。如果材料在高温下使用，即使它所受应力远远低于屈服应力，也可能发生塑性形变。此时要用蠕变强度来表示材料的性能。还有，如果所受应力为循环状态，那么材料的安全性也会打折扣。此时要用到疲劳强度的概念。4.2力学实验与材料性能4.2.1拉伸试验

4.2.2弯曲试验

4.2.3硬度试验

4.2.4冲击试验

4.2.5断裂韧性

4.2.6蠕变

4.2.7疲劳

4.2力学实验与材料性能4.2.1拉伸试验

拉伸试验测定的是材料抵抗静态或缓慢施加的负载的能力。在拉伸试验中，试样的两端固定在夹头上，拉伸机的负载测量仪器安装在试样的一端，应变测量装置安装在试样的另一端，4.2.1拉伸试验

图4.1位伸试验方法示意图4.2.1拉伸试验

图4.2常见的应力应变曲线(a)真实应力应变曲线;(b)工程应力应变曲线如果计算应力和应变时采用的是试样的原始截面积和原始长度，这个应力应变曲线又称为工程应力应变曲线。工程应力应变曲线中的应力值并不是材料实际上受到的应力，而是载荷除以材料原始截面积得到的应力值4.2.1拉伸试验

l1ε=∫(dl/l)=ln(l1/l0)=ln(A0/A)l0真实应力σ等于负载P除以在应变的某一阶段时试样的面积A。上式中的ln(A0/A)必须是颈缩出现以后才适用。在真实应力应变曲线中，颈缩出现之后应力仍然继续增大。4.2.1拉伸试验

真实应力应变曲线常常符合公式：

σ=kεn其中，n是加工硬化系数，大约为0.1-0.5，k是强度系数。4.2.1拉伸试验

当应变的增加不再产生负载的增加时，即dP=0时，就要出现塑性失稳，或者说产生颈缩。由于P=σA，因此:失稳条件dP=Adσ+σdA=0在很多情况下，人们并不关心真实应力应变曲线。因为超过屈服强度后，材料的形状就发生了变化。如果构件不再能维持它的形状，那么它就已经失效了。因此，工程应力应变曲线一般可以满足实际需要。4.2.1拉伸试验

当应变是拉伸时，称为弹性模量或杨氏(Yong)模量。当应变是切应变时，称为刚性应变或切变模量μ。当应变是流体静压缩应变时，称为体积弹性模量Ｋ。应力和应变之间的比例常量称为弹性模量。在应力很低的时候，形变是弹性的可逆的，遵从虎克(Hooke)定律,应力与应变成正比的关系。4.2.1拉伸试验

E:弹性模量或杨氏(Yong)模量。μ:刚性应变或切变模量。Ｋ:体积弹性模量。K=E/2(1-2ν);μ=E/2(1+ν);E=9Kμ/(3K+μ)三者关系：4.2.1拉伸试验

当材料的形变在应力去除之后仍不能完全恢复时，说明材料发生了塑性形变。材料开始发生塑性形变时所对应的应力称为屈服强度，用σs

来表示。塑性形变对于金属来说，这也是位错开始滑移所需的应力。对于没有明显屈服点的材料，习惯上把应变量为0.2%所对应的应力规定为屈服强度，用σ0.2来表示。4.2.1拉伸试验

图4.3低碳钢应力-应变曲线中的上屈服点和下屈服点4.2.1拉伸试验

材料的抗拉强度对应于应力应变曲线的最大应力。材料的延性为材料截面积的减少量或者伸长的百分率。

在从屈服到抗拉强度的这段应力应变曲线中，应力持续增加，这表明试样形变时发生了硬化现象，这就是加工硬化

4.2.1拉伸试验

把拉伸试验用于科学研究时，更有意义的是应力-应变曲线的准确形状和它的细节，以及屈服应力与断裂应力随温度、合金化添加物与晶粒大小而变化的关系。利用拉伸试验也可以确定断裂的类型。“杯-锥”型断裂解理断裂晶间断裂4.2.1拉伸试验

4.2.2弯曲试验

图4.4不同材料的应力应变曲线4.2.2弯曲试验

许多脆性材料表面存在裂纹，很难进行一般的拉伸试验。有时，刚刚把脆性材料安装在拉伸机的夹头上，它就发生了断裂。可以采用如图4.5所示的弯曲试验来测定脆性材料的力学性能。

断裂模量=3FL/2wh2

上式中，F为断裂时的负载，L为两个向上支点之间的距离，w是试样的宽度，h是试样的厚度。图4.53点弯曲试验示意图4.2.2弯曲试验

图4.6弯曲试验曲线4.2.2弯曲试验

挠曲模量=L3F/4wh3δ弯曲试验曲线的横轴是材料的弯曲δ。弯曲试验得到的材料的弹性模量又称为挠曲模量,可以从弯曲试验曲线的弹性区域的负载F和弯曲δ求出：上式中，F为断裂时的负载，L为两个向上支点之间的距离，w是试样的宽度，h是试样的厚度。4.2.2弯曲试验

因为裂纹在受到压应力时会闭合起来，所以脆性材料的使用状态往往设计为压应力状态，而不是拉应力状态。一般来说，脆性材料在压应力状态下的抗压强度远远大于其抗拉强度。材料抗拉强度(MPa)抗压强度(MPa)弯曲强度(MPa)50%玻璃纤维聚酯160220310Al2O32002600340SiC

1703800550表4.1部分材料的抗拉强度、抗压强度和弯曲强度4.2.2弯曲试验

材料的硬度定义为材料对于贯穿其表面的硬物的抵抗能力。材料硬度可以很方便地表示材料形变的能力。4.2.3硬度试验

图4.7硬度试验示意图硬度试验方法有十几种，常用的有洛氏（Rockwell）硬度试验、布氏（Brinell）硬度试验、维氏（Vickers）硬度试验等。4.2.3硬度试验

布氏硬度值（用HB或BHN表示）的定义为P/A，单位是N/m2，其中P是负载，A是形成压痕的球帽表面积。布氏硬度值=2P/{πD2[1-(d/D)2]1/2}其中，d和D分别是压痕直径和压球直径。比值d/D需要保持常数并且很小。在实际工作中常用硬度值来粗略地比较材料的力学性能。例如硬度与材料的耐磨性能关系密切。4.2.3硬度试验

硬度试验简便易行，一般只需几分钟就可以完成一个硬度试验，对所测试样不需要进行特别的加工处理，试验本身对试样也不会造成什么破坏。例如金属材料中的布氏硬度值(HB)与抗拉强度存在如下的经验公式：抗拉强度=kHB

4.2.4冲击试验

一种材料可能具有很高的抗拉强度，但是在冲击负载条件下却可能无法应用。为此，常常采用冲击试验来测量材料承受冲击的能力。在冲击试验时，一个重物摆从高度h0

落下，打击并击断试样，然后继续运动到较低的高度hf。从摆的起始高度h0

和最后高度hf

，可以计算其势能差。这个势能差就是试样在断裂时所吸收的能量，可以表示为材料的耐冲击能力。这种材料抵抗冲击的能力又称为材料的冲击韧性。4.2.4冲击试验

冲击试验有许多种方法，常用的有艾氏(Izod)冲击试验和夏氏(Charpy)冲击试验。试样可以有切口或没有切口。具有V型切口的试样适合用来测试材料抵抗裂纹扩展的能力。图4.8不锈钢和碳钢在不同温度下的夏氏冲击试验结果。4.2.4冲击试验

4.9材料的韧性、脆性与温度的关系韧脆转变温度4.2.4冲击试验

材料在机械加工、制造过程中可能会出现切口。这些切口会引起应力集中，降低材料的冲击韧性。通过比较有切口和无切口的试样的冲击试验结果，可以得到材料的切口敏感性。如果材料具有切口敏感性，那意味着这一材料的有切口试样的吸收能远远低于无切口试样。切口敏感性4.2.4冲击试验

图4.10真实应力应变曲线材料的冲击性能与其真实应力应变曲线的面积有关。金属具有较高的强度和较大的塑性，所以它的韧性较好。而陶瓷和许多复合材料虽然具有很高的强度，但是其只有很小或没有塑性形变，韧性也差。4.2.4冲击试验

断裂韧性就是表示含有裂纹的材料所能承受的应力。4.2.5断裂韧性

冲击韧性是材料性能的一个定性指标，而断裂韧性则是材料性能的一个定量指标。应力强度因子K可由下式计算：K=fσ(πa)1/2上式中，f是试样和裂纹的几何因子，σ是作用应力，a是裂纹尺寸。如果试样具有无限的宽度，则f近似等于1.0。4.2.5断裂韧性

图4.11断裂韧性试样中的裂纹示意图利用含有一个已知尺寸的裂纹的试样，可以测得该裂纹开始扩展并导致材料发生断裂时的临界K值。这个临界应力强度因子定义为材料的断裂韧性Kc。Kc=裂纹扩展所需的K值断裂韧性K=fσ(πa)1/24.2.5断裂韧性

图4.12断裂韧性与试样厚度的关系断裂韧性与材料试样的厚度有关4.2.5断裂韧性

（1）裂纹尺寸a越大，许可应力σ越低。（2）材料发生塑性变形的能力非常重要。（3）厚试样的断裂韧性比薄试样的要小。（4）增加负载速率，像冲击试验那样，往往会减小材料的断裂韧性。（5）与冲击试验相同，降低温度会减小材料的断裂韧性。（6）减小晶粒尺寸一般可以改善断裂韧性。材料抵抗裂纹扩展的能力与许多因素有关：4.2.5断裂韧性

4.2.6蠕变

如果在高温下给材料施加一个应力，即使这个应力小于该温度下的材料屈服强度，材料也可能发生塑性变形，以至断裂。这种现象就称为蠕变。蠕变的定义是在恒定的压力下材料的塑性流变。引起材料在较低温度下发生塑性变形的主要原因是位错的滑移，而引起材料在高温下发生蠕变的主要原因则是位错的攀移。位错攀移，即位错能够在与滑移面垂直而不是平行的平面上移动。依靠这种攀移而脱离了杂质等束缚的位错就可以在较低的应力下继续滑移，从而使材料在较低应力状态下发生塑性形变。所以，时间是影响材料高温形变的又一重要因素，而在室温下，时间对材料的形变几乎没有影响。4.2.6蠕变

图4.13材料的蠕变曲线4.2.6蠕变

蠕变速率=应变的增量/时间的增量图4.14各种温度下的蠕变断裂试验数据4.2.6蠕变

4.2.7疲劳

如果材料所受的应力是重复出现的，那么即使这个应力低于材料的屈服强度，材料也有可能发生破坏。这种现象称为材料的疲劳。疲劳破坏的发生一般分为三个阶段。首先，在材料的表面出现一个非常小的裂纹。这个小裂纹常常是在加载后不久就出现的。然后，随着载荷周而复始的作用，这个小裂纹将慢慢地扩展。最后，当材料所剩余截面积小到不足以承受载荷时，材料将发生断裂。人们设计出了各种类型的疲劳试验机器。在这些机器中，所加的应力状态不同，比如弯曲、扭转、拉伸或者压缩，但是有一点却是相同的，即测量物质所受的应力循环是固定的。为了表示出应力的特征，通常需要注意三个问题，即最大应力范围、平均应力、应力循环周期。图4.15应力循环的几种类型(a)反转；(b)交替；(c)涨落；(d)重复应力循环的四种不同的类型旋转悬臂梁试验图4.16旋转悬臂梁疲劳试验图4.17疲劳实验的S-N曲线疲劳极限疲劳寿命指的是材料在某种特定应力下发生疲劳断裂所需的应力循环次数。疲劳强度指的是在特定应力循环次数时不发生疲劳断裂的前提下，材料所能承受的最大应力。有些材料，例如钢铁，其疲劳极限大约等于屈服强度的一半。所谓的耐疲劳比可由下式定义：耐疲劳比=疲劳极限/屈服强度≈0.5可以从屈服强度和耐疲劳比来估算材料的疲劳极限。第4章材料强化

4.1概述4.2力学实验与材料性能4.4固溶强化4.3加工硬化4.5弥散强化4.6固态相变强化2个学时2个学时2个学时加工硬化，又称为应变硬化，是由于位错增值所引起的，所以能够产生加工硬化的材料必须是位错能够滑移的塑性材料4.3加工硬化加工硬化主要是与金属和合金等塑性材料有关的概念。众所周知，金属的性能可以通过冷加工即在低温下使金属发生形变的方法来改变。图4.19加工硬化产生原理4.3加工硬化通过使金属发生塑性变形的方式，可以使其屈服强度增高。这就是所谓的加工硬化。材料的屈服强度逐渐增高的同时，作为材料塑性指标的延伸率逐渐降低。4.3加工硬化一般情况下，未经历冷加工的金属材料中的位错密度约为106cm/cm3。相对来说，这样的位错密度还是很小的。经过了冷加工的金属材料中的位错密度可增殖至1012cm/cm3

，比初始的位错密度大近百万倍。位错密度越大，位错之间的相互作用也越大，对位错进行滑移的阻力也随之增大。这就是加工硬化的原理。加工硬化的原理4.3加工硬化Frank-Reed位错源图4.20位错增殖示意图4.3加工硬化利用加工硬化，可以在获得所需的金属材料的形状的同时，提高材料的强度。尤其是对于那些不能采用各种热处理强化方法的材料，如低碳钢、奥氏体不锈钢、有色金属等，加工硬化方法显得更加重要。利用各种材料加工技术，如轧制、锻造、冲压、拉拔、挤压等等，都可以达到利用加工硬化提高材料强度的目的。4.3加工硬化图4.21冷加工或添加锌对铜的电导率和屈服强度的影响4.3加工硬化陶瓷中也会有一些位错，所以也会出现很小程度的加工硬化。但是，陶瓷通常很脆，在低温时不可能发生明显的塑性变形，只有在高温下才会有塑性变形。热弹性高分子材料在塑性变形时也会有硬化现象。但其原因不是加工硬化，而是长链分子发生了重新排列甚至晶化。4.3加工硬化有时需要消除冷加工所产生的加工硬化。在这种情况下，可以对材料进行退火。退火后的材料既可以保持冷加工后所得到的精确尺寸和良好表面，又可以恢复材料的塑性。退火后的材料可以继续进行冷加工。这样将冷加工与退火相结合，可以使材料的最终变形达到一个很大的值。4.3加工硬化“相”指的是一种结构在一个相中，结构或者原子排列处处相同，化学成分处处相同相与周围环境或其他相之间一定存在明确的界面4.4固溶强化无限固溶体没有溶解度限制的固溶体，如镍铜。有限固溶体有溶解度限制的固溶体，如铜锌合金（黄铜）。也有一些完全不能互相溶解的现象。例如，油和水就不能互相溶解。铜和铅也不能形成固溶体。4.4固溶强化固溶体与混合物的区别混合物中含有2种以上的相，混合物中的这些相依然保持自己的特性固溶体本身只是一个相，组成固溶体的各个组元都已经相互溶解，不再保持组元自己的特性。

混合物固溶体4.4固溶强化通过形成固溶体合金，可以实现固溶强化的目的。镍铜合金的强度大于纯铜。当锌的添加量少于30%时得到的铜锌合金，其强度也大于纯铜。4.4固溶强化固溶强化的效果决定因素1.溶剂原子和溶质原子的尺寸差别越大，固溶强化的效果越大2.添加的合金元素越多，固溶强化的效果也越大。4.4固溶强化图4.22各种合金元素对铜的屈服强度的影响4.4固溶强化图4.23铜镍合金的力学性能4.4固溶强化合金的屈服强度，抗拉强度，硬度等会超过纯金属。几乎所有的合金的塑性都低于纯金属。但是，铜锌合金的强度和塑性都高于纯铜，这是一个例外。合金的导电率大大低于纯金属。所以不应该用固溶强化的铜合金或铝合金作导线。固溶强化能够改善合金的抗蠕变性能。高温环境不会明显损害固溶强化效果。固溶强化对材料性质的影响4.4固溶强化第4章材料强化

4.1概述4.2力学实验与材料性能4.4固溶强化4.3加工硬化4.5弥散强化4.6固态相变强化2个学时2个学时2个学时4.5弥散强化如果材料中添加的合金元素太多，以致超过了其溶解度，就会出现第二相，形成两相合金。在这两种相之间的界面上的原子排列不再具有晶格完整性。在金属等塑性材料中，这些相界面会阻碍位错的滑移，从而使材料得到强化。这就是弥散强化的由来。所谓弥散强化，是指将多相组织混合在一起所获得的材料强化效应在弥散强化合金中，一定存在着一种以上的相，含量大的连续分布的相称为基体。而第二相则一般是数量较少的析出物。4.5弥散强化基体与析出物之间的关系1．基体应该是塑性的，而析出物则应该是脆性的2．脆性的析出物应该是不连续分布的，而塑性的基体则应该是连续分布的3．析出物的尺寸应该小，数密度应该多5．析出物的数量越多，合金的强度越高4．析出物的形状应该是圆的，而不应该是尖的或针状的4.5弥散强化弥散强化合金中常常含有金属间化合物。所谓金属间化合物，是指两种或多种元素按一定比例形成的新相。金属间化合物具有一定的晶体结构和特定的性能。金属间化合物大都又硬又脆。非化学价金属间化合物的成分不像化学化合物那样严格，它可以在一定的范围内变化。非化学价金属间化合物又称为金属间固溶体。4.5弥散强化图4.24金属间固溶体相图(a)Al-Sb相图;

(b)Mo-Rh相图4.5弥散强化为了利用金属间化合物的高熔点、高硬度、抗氧化性以及抗蠕变性等性能，有些新材料本身就是全部由金属间化合物所组成的。金属间化合物中，有两个非常重要的材料。一个是TiAl，又称为γ合金。另一个是Ti3Al，又称为α合金。这两种金属间化合物的用途很广，例如可用于涡轮发电机和航天飞机。这两种金属间化合物都是有序化的晶体结构。4.5弥散强化利用共晶反应也能够获得弥散强化的材料在共晶反应中，会生成α相和β相两种固相。这两个固相的化学成分由共晶反应线的两端来决定。α相的凝固会促进β相的凝固，而β相的凝固也会促进α相的凝固。这是共晶反应的一个重要特点。4.5弥散强化图4.25Sn-Pb相图4.5弥散强化含锡量为61.9%的锡铅合金是共晶合金。这一合金在183℃以上时为液相，液相的成分也为61.9%。当这一合金液相冷却到183℃时，开始发生共晶反应，也就是：含锡量为19%的α相

+含锡量为97.5%的β相。含锡量为61.9%的液相共晶反应4.5弥散强化图4.26锡铅合金共晶组织示意图4.5弥散强化当锡铅合金的含锡量在19%~61.9%之间时，该合金称为亚共晶合金。而含锡量在61.9%~97.5%之间时，则称为过共晶合金。4.5弥散强化图4.27Pb-Sn合金的成分和强化机制对抗拉强度的影响4.5弥散强化共晶反应应用陶瓷材料的制作共晶焊锡(共晶反应的具有很低的熔点)加快金属和陶瓷粉末之间的扩散连接或增大其烧结速率共晶合金4.5弥散强化不过，有时共晶反应却是不受欢迎的。由于共晶组织总是最后从液相中凝固出来的，它总是将初相包围起来。如果共晶组织是脆性的，那么即使共晶组织的数量非常少，它也会使得整个材料变脆。这种合金在变形时会沿着脆性的共晶组织发生断裂。Al2O3的熔点很高，为2020℃，常用作盛放液态金属的耐火材料。CaO的熔点则更高，为2570℃。但如果Al2O3耐火砖接触到CaO后，会产生一系列的共晶反应，其共晶产物的熔点甚至低于通常的炼钢温度，就可能引起耐火材料的破坏。4.5弥散强化可以用来强化材料的固态相变有时效强化、共析反应，非平衡态的马氏体相变。所有这些固态相变都需要经过热处理4.6固态相变强化通过控制凝固过程实现材料强化的方法，只能在材料冶炼制备过程中采用一次。但是，控制固态相变来实现材料强化的方法，则可以多次采用。图4.28Al-4%Cu合金在冷却过程中可能出现的组织结构4.6固态相变强化只有当析出